Experimental and computational studies of a prototype combustion chamber for a power steam boiler with a vertical precessing vortex

Abstract

Increasing the efficiency of using fossil fuels at thermal power plants is an urgent task. This problem arises most acutely during the operation of pulverized coal power boilers using flare fuel combustion technologies. The purpose of this work is an experimental and computational study and justification of the technology of low-temperature combustion of coal in a combustion chamber with a vertical precessing vortex and the creation of a prototype combustion chamber for a power steam boiler. To achieve this goal, a study of the process of two-stage coal combustion was carried out, when the first stage of coal combustion is carried out in a pre-furnace with a fluidized bed, and the after-combustion of the products of incomplete combustion of coal is carried out with gas illumination in an after-combustion chamber with a vertical precessing vortex. The relationship between the main design parameters of the combustion chamber and the main operating characteristics of the diffusion vortex has been determined. The most important results are: development and experimental validation of the parameters of the combustion chamber with a vertical precessing vortex; determination of optimal operating modes of the furnace when burning coal and combined combustion of coal and gas; creation of a prototype furnace for a power steam boiler with natural circulation, operating on Kansk-Achinsk coal. The significance of the results obtained lies in the possibility of their use in the design of new or modernization of existing power boilers in order to increase the efficiency, reliability and environmental safety of operation.

Creșterea eficienței utilizării combustibililor fosili în centralele termice este o sarcină urgentă. Această problemă apare cu cea mai mare acuitate în timpul funcționării cazanelor electrice pe cărbune pulverizat care utilizează tehnologii de ardere a combustibilului de flacără. Scopul lucrării este un studiu și o justificare experimentală și computațională a tehnologiei de ardere la temperatură scăzută a cărbunelui într-o cameră de ardere cu vortex vertical de precesare și crearea unui prototip de cameră de ardere pentru un cazan cu abur de putere. Pentru a atinge acest obiectiv, a fost efectuat un studiu al procesului de ardere a cărbunelui în două etape, atunci când prima etapă de ardere a cărbunelui se realizează într-un pre-furnal cu pat fluidizat, iar post-combustia produselor de ardere incompletă a cărbunelui se realizează cu iluminare cu gaz într-o cameră de post-combustie cu un vortex vertical de precesare. A fost determinată relația dintre principalii parametri de proiectare ai camerei de ardere și principalele caracteristici de funcționare ale vortexului de difuzie. Cele mai importante rezultate sunt: dezvoltarea și validarea experimentală a parametrilor camerei de ardere cu vortex vertical de precesare; determinarea modurilor optime de funcționare a cuptorului la arderea cărbunelui și la arderea combinată a cărbunelui și a gazului; crearea unui prototip de cuptor pentru un cazan de abur de putere cu circulație naturală, care funcționează cu cărbune Kansk-Acinsk. Semnificația rezultatelor obținute constă în posibilitatea utilizării lor în proiectarea de cazane electrice noi sau în modernizarea celor existente pentru a crește eficiența, fiabilitatea și siguranța de mediu a funcționării.

Повышение эффективности использования органического топлива на тепловых электростанциях является актуальной задачей. Наиболее остро такая проблема возникает при эксплуатации пылеугольных энергетических котлов, использующие факельные технологии сжигания топлива. Целью настоящей работы является экспериментально-расчетное исследование и обоснование технологии низкотемпературного сжигания угля в топочной камере с вертикальным прецессирующим вихрем и создание прототипа топочной камеры для энергетического парового котла. Для достижения поставленной цели проведено исследование процесса двухстадийного сжигания угля, показавшее, что наиболее оптимальным техническим решением является, когда первая стадия сжигания угля осуществляется в предтопке с кипящим слоем, а дожигание продуктов неполного горения угля осуществляется с газовой подсветкой в камере догорания с вертикальным прецессирующим вихрем. Определена взаимосвязь основных конструктивных параметров топочной камеры с основными режимными характеристиками диффузионного вихря. Установлено, что наиболее оптимальным углом закрутки воздушных сопел для создания устойчивого вертикального прецессирующего вихря в прототипе топочной камеры энергетического котла является угол в 45°. При комбинированном сжигании угля и природного газа в топке с вертикальным прецессирующим вихрем наиболее рациональным соотношением доли угля, подаваемого в камеру с кипящим слоем и газа, подаваемого на подсветку, составляет 85% на 15%. Наиболее важными результатами являются: разработка и экспериментальное обоснование параметров топочной камеры с вертикальным прецессирующим вихрем; определение оптимальных режимов работы топки при сжигании угля и комбинированном сжигании угля и газа; создание прототипа топки для энергетического парового котла с естественной циркуляцией, работающего на Канско-Ачинском угле бородинского месторождения марки 2Б. Значимость полученных результатов состоит в возможности их использования при проектировании новых или модернизации существующих энергетических котлов с целью повышения эффективности, надежности и экологической безопасности работы.